氯堿企業明裝防雷接閃器腐蝕分析與應對措施

.長泰縣氣象局 .東山縣氣象局 林中永葉忠生許清祥

氯堿企業明裝防雷接閃器腐蝕分析與應對措施

1.長泰縣氣象局 2.東山縣氣象局 林中永1葉忠生1許清祥2

氯堿企業在生產過程中存在著腐蝕介質多、分布廣等特點，接閃器采用常規的抗腐蝕措施，導致壽命短暫。目前，防雷與防腐設計項目結合較少，如何在防雷工程實踐中找到兩者最佳結合點，設計出既經濟又耐用的方案，通過優質施工和科學管理，確保接閃器合理使用壽命，具有很高的實踐意義。該文根據電化學原理，研究污染物質對明裝接閃器銹蝕的影響規律。結果表明，氯堿企業的防腐措施只能減緩腐蝕，治本辦法是控制腐蝕源，接閃器敷設方式采用以豎向為主、水平（暗敷）為輔的組合，加上正確選材，可提高抗腐蝕能力，也符合防腐規范要求，已在維護和技改中起到指導作用。

氯堿企業 接閃器腐蝕 機理分析 防護對策

1 概述

化工企業共分為17個行業，其中腐蝕最嚴重的6個行業是氯堿、化肥、純堿、農藥、燃料和無機鹽，氯堿排在首位。南方某氯堿企業（簡稱南方氯堿）創建于2002年，投資金額1億元，廠區占地面積11萬m2，設置鍋爐、鹽水、鹽酸、電解整流和氯氫處理等工段。年用原材料海鹽6萬t，煤2.4 萬t，水80萬t。生產過程中所處理的物料、中間產品和成品，比如鹽水、濕氯氣、鹽酸等都是腐蝕性極強的介質，它們隨空氣、水汽漂浮吸附在接閃器、屏蔽管表面上，滲入混凝土中，加快電化學反應過程，使金屬腐蝕加劇。

接閃器快速腐蝕很快成為南方氯堿安全生產的心腹大患。2007年6月5日，南方氯堿遭雷擊，造成電源局部跳閘、停車，引發氫氣著火，氯氣泄漏事故，直接經濟損失20多萬元。雷擊事故原因主要有：一是腐蝕引起泄流錯位。屋面接閃帶銹蝕嚴重，接閃不靈，與引下線的連接點焊接處銹蝕嚴重，橫斷面減小，泄流不暢，而平鋪女兒墻頂電源線屏蔽管銹蝕穿透，部分殆盡，電源線裸露，閃電感應電流順著電源線暢通無阻地進入廠內。二是防腐措施未到位。廠內電源開關未采取防腐蝕介質入侵的措施，致使絕緣性能降低，容易被雷電擊穿，加上電源系統未安裝SPD和聯動裝置，導致局部跳閘，釀成后果。

事故發生后，防雷業內人士和業主認為，明裝接閃帶直接接觸腐蝕介質而快速腐蝕，應改為暗裝。根據廠房的防雷類別、高度及周圍環境分析，可以剔除高層建筑雷擊落物毀物傷人的可能，滿足防雷規范要求，明裝接閃帶改為暗裝接閃帶的方案可行。可隨著往后的防雷定期檢測，發現女兒墻壓頂鋼筋、混凝土柱中的引下線，局部暴露出順筋開裂，并呈增加趨勢，暗裝能防腐遭到質疑。南方氯堿防雷接閃器采用哪種敷設方式，能確保合理使用壽命，是防雷工作中需認真探索的課題。本文從電化學腐蝕原理入手，對明裝接閃器敷設方式的腐蝕機理，進行分析和研究，并提出相應的防護措施。

2 腐蝕部位和原理

2.1 腐蝕部位

南方氯堿的接閃器大部分為明裝，少部分利用女兒墻壓頂鋼筋（為討論問題的方便，本文把明裝接閃帶下女兒墻中的壓頂鋼筋視為暗裝）。在腐蝕環境中，通過多年常規檢測時的跟蹤觀察和對比，發現兩種敷設方式和各部位的腐蝕程度不同，見表1。

表1 南方氯堿明裝接閃器各種類型腐蝕比較情況

從實際調查和表1比較的結果來看，南方氯堿明裝接閃器周圍環境潮濕、距離腐蝕源近的腐蝕比環境干燥、距離腐蝕源遠的腐蝕要快；橫向腐蝕比豎向大，有焊接的腐蝕比無焊接的大。

2.2 腐蝕原理

南方氯堿電解工段是電解電池，也是腐蝕電池。它是通過電解海鹽水NaCl來制取氯氣Cl2、氫氣H2和燒堿NaOH,如圖1所示。

化學方程式：

從圖1可見，一個電解電池必須同時具備四個條件：一是必須有陽極和陰極（兩個獨立、分離的區域）；二是陽極和陰極之間必須有電位差，如鹽濃差等現象的存在，極易在同一金屬結構體內形成，亦可在兩個不同電位金屬間形成；三是陽極和陰極之間必須有導體的電流通道，如金屬導體；四是陽極和陰極必須浸在電解質中，該電解質中有流動的自由離子，如水、含水的混凝土等。一旦具備以上條件，腐蝕電池即形成，并開始工作，陽極將加速，而陰極則停止或減緩腐蝕。

圖1 電解NaCl原理圖

3 明裝接閃器腐蝕

3.1 方向性的影響

南方氯堿明裝接閃器的敷設，按其方向性分為豎向和橫向兩種。從表1可知，方向性不同，腐蝕程度也不同。

3.1.1 橫向接閃帶

橫向接閃帶，其上凝露、吸附和鹽霧降落易積累，常在其下表面形成液膜，當濕度較大時，在其下沿形成水帶。水帶的存在，易形成各種濃差電池。

南方氯堿明裝接閃帶易受鹽濃差、氯濃差和氧濃差等的腐蝕，現以鹽水工段屋面明裝水平接閃帶為例，分析其鹽濃差腐蝕過程。接閃帶沿屋面女兒墻頂敷設，受鹽霧源距離和風向風速等因素影響，接閃帶的水帶中將出現鹽含量差異。接閃帶距鹽霧源較近這段，鹽濃度較高，溶入水帶中鹽含量就高，而距鹽霧源較遠處接閃帶的水帶中鹽含量則低；接閃帶處于鹽霧源主導風向的下風方，其水帶中鹽含量高，而處于鹽霧源上風向水帶中鹽含量則低。接閃帶將兩種不同NaCl濃度的溶液聯結起來，形成鹽濃差電池，如圖2所示。

圖2 明裝水平接閃帶中鹽濃差腐蝕電池示意圖

從圖2可見，水帶就是電解質，低鹽分為陰極，高鹽分為陽極，連接電路是接閃帶本身，由于接閃帶中電解質的濃度改變了電極的電極電位，使同種材料的兩個電極形成電位差，這樣就構成了腐蝕電池。此時，位于鹽含量高的水帶中那段接閃帶為陽極被腐蝕。

3.1.2 豎向接閃帶

豎向接閃器，尤其是接閃桿，其上的水分、污染物和降塵不易積累，銹層很薄。如果有豐富雨水，其沖刷使薄銹層中的污染物不能積累，使潮濕狀態下的電解液導電性和腐蝕性不高，如果再有高的日照時數，經常使薄液膜蒸發，銹層干燥，缺少電解質，相當于“干氧化”狀態，腐蝕電池不易形成，腐蝕就不易進行，相同時間內腐蝕程度就小[1]。

3.2 接閃帶長的影響

明裝接閃帶長的影響是指在電化學不均勻的接閃帶上，隨著接閃帶的延長，腐蝕速度會加快。觀察南方氯堿接閃帶的腐蝕狀況，主要取決于環境中腐蝕介質氯離子（Cl-）的含量，含量越高，腐蝕性越強，這一點在腐蝕性調查中得到證實。鹽水工段(NaCl)和鹽酸工段(HCl)都富含Cl-，是接閃帶腐蝕重災區，有的壽命不足一年。

3.2.1工段接閃帶腐蝕

工段接閃帶腐蝕是指各工段屋面接閃帶中由陽極區和陰極區構成腐蝕電池的腐蝕。這種腐蝕電池的電極體系的尺寸較小，陰陽極過程在同一工段屋面，甚至陰、陽二極還不斷變換。年用海鹽6萬t鹽水工段的屋面長33m、寬10m，屋面女兒墻頂及梯蓋頂周圈敷設明裝接閃帶，屋面還有金屬管線、大小金屬罐體若干。樓頂可見的鹽顆粒，來自金屬鹽水桶、管道被腐蝕而“跑、冒、滴、漏”的鹽水、鹽霧，還有來自車間內從門窗飄出來的鹽霧，使得距腐蝕源近的接閃帶濃度比其它地方高。由此可見，要想使整個屋面接閃帶各部位所接觸介質的物理、化學性質完全相同，使接閃帶表面各點的電極電位完全相同是不可能的，這種電化學不均勻是形成腐蝕電池的基本原因。隨著把屋面不同標高明裝接閃帶的連接和設備的等電位連接，會把接閃帶表面上各部位電極不相等的連在一起，還會把屋面溫差、光照不均勻性的地方也連在一起，這些都意味著同一種金屬將可能與多種不同含鹽量電解質溶液接觸，并形成許多鹽濃差、溫差等腐蝕電池。屋面金屬越多，電化學不均勻也越多，腐蝕作用就越強。

3.2.2 工段間接閃帶腐蝕

工段接閃帶腐蝕顯而易見，容易引起人們的關注，而工段間接閃帶腐蝕屬于宏觀腐蝕，其電池的電極體系的尺寸相對較大，陰陽極過程不在同一工段上，它導致接閃帶的腐蝕很難預見，常被人們忽視，如圖3所示。

圖3 工段間酸濃差電池引起接閃器腐蝕示意圖

從圖3可見，當鍋爐房與鹽酸廠房處于不同酸度的電解質（實際上是液膜、水帶、混凝土和土壤等多種電解質）時，由于電解質酸度的差異而產生酸濃差電池。查閱當地環境監測站監測數據，鹽酸工段氯化氫（HCl）平均排放濃度為20.3mg/m3是沿海農村的3759倍，是典型工業區的4229倍，污染了大氣和水，整個工段的屋面、墻體和地面也遭受污染。鍋爐房位于其北側110m處，距酸污染源較遠，電解質中酸度相對較低。此時，鍋爐房頂接閃帶的金屬表面電極電位較正為陰極區，鹽酸工段接閃帶的金屬表面電極電位較負為陽極區，兩區域之間存在著電位差，金屬橋架兩端分別與廠房進行等電位連接，構成了很好的回路，兩極之間產生的腐蝕電流從陽極區域通過多種電解質流入陰極區域，造成鹽酸工段陽極區的金屬被腐蝕。腐蝕現狀：①樓頂KBG屏蔽管蕩然無存，僅剩下電纜線；②接閃帶有的斷開，有的支撐桿無力支撐，倒了；③靠近鍋爐房這側，且有橋架連接的西北角，接閃帶腐蝕最重，女兒墻中引下線表面混凝土順筋開裂，露出鐵基體，開裂后的鋼筋比混凝土中的鋼筋具有更大的腐蝕性，有效截面減小，影響泄流功能。與之形成對比的是，鍋爐房接閃帶受腐蝕程度顯得輕微。

4 防腐措施

綜上所述，南方氯堿明裝接閃器在水平方向上，隨著屋面金屬的增加和長度的延伸，其腐蝕要比豎直方向要強得多，腐蝕介質是產生的主要原因。主要防腐措施有：一是要從源頭上進行嚴格控制；二是要根據防雷、防腐規范，有針對性地進行設計接閃器敷設方式；三是接閃器正確選材；四是技術管理應與時俱進，以提升接閃器的抗腐蝕能力。

4.1 控制腐蝕源

防腐的治本辦法是控制腐蝕源，減少腐蝕介質排放的有效措施是采用新工藝、新技術。南方氯堿技改既符合企業生存與發展的需求，又能減少腐蝕介質的排放。2013年，該企業投資3500萬元進行技改，采用先進的離子膜法燒堿生產工藝取代相對落后的金屬陽極隔膜法工藝，減少SO2、Cl-的排放，減少濕熱氣候的形成，防腐取得新成效。

4.1.1 控制SO2的排放

南方氯堿原鍋爐煙囪SO2排放濃度為645mg/m3，大大超過我國規定空氣中含 SO2≤20mg/m3標準，高達32倍，對空氣的污染嚴重。明裝接閃帶的材料為碳鋼鍍鋅，不耐SO2溶在液膜中產生的H2SO4的腐蝕。技改后，新建一臺2t/h燃煤鍋爐，以燃油為主，年燃油量為730t。原鍋爐停用，年可節約標煤2.4萬t，大大減少SO2的排放。

4.1.2 減少Cl-泄漏

隨著硬質PVC塑料、玻璃鋼等高強度非金屬材料的迅速發展，為氯堿企業提供更多的耐腐蝕材料，較好地解決了設備腐蝕問題。鹽水、鹽酸工段的設備管道改為非金屬材料后，減少金屬腐蝕而產生的“跑、冒、滴、漏”現象，有效遏制Cl-對明裝接閃器的危害。

4.1.3 停止蒸發水霧

水是形成腐蝕電池電解質的先決條件。南方氯堿的水汽不僅來源于自然降雨量，更多來源于生產時的用水量。該企業年用水量80萬t，相當于年降雨量的4倍。特別是廠區中心蒸發系統，日夜不停地噴發水霧，且分布均勻，是明裝接閃器終年處于高腐蝕狀態的重要原因。采用先進的生產工藝后，蒸發停用，水霧從此停止噴射，介質中有害成分實現零排放。

4.1.4效果檢驗

南方氯堿在技改前，大氣中污染物SO2、Cl-和H2O為“三高”，使金屬腐蝕速度比其它地方高出數倍。SO2與Cl-兩種離子對明裝接閃器的腐蝕，不是簡單的加和，而是兩循環機制的協同作用，使得腐蝕速度明顯加快，將分別大于兩者單獨存在時的速度。高濕氣候也加快了金屬腐蝕。例如，鋼在海岸的腐蝕比在沙漠中的大400～500倍。2014年4月技改后，“三高”降了，投產半年來，鹽水工段屋面未見到鹽粒，廠區內綠化小草、樹木未出現過燒焦現象，而是呈現一片自建廠以來從未有過的綠草如茵、綠樹成蔭的景象。這說明所處大氣環境的腐蝕性有明顯改善，顯然對明裝接閃器的腐蝕也是減輕的。

4.2 接閃帶敷設方式

在氯堿企業腐蝕環境中，明裝接閃帶敷設在女兒墻壓頂板上，具有方便施工的優點。然而，根據現行工業建筑防腐設計規范條文說明4.4.1條，“由于不同材料對腐蝕介質的敏感性不同，因此，這種結構具有特殊的腐蝕特征”。南方氯堿接閃帶腐蝕調查表明，連體接閃帶比獨立接閃桿腐蝕性重，露出的比深藏的重。明裝接閃帶對暗裝的危害，體現在支撐桿對女兒墻頂板的千瘡百孔，保護層遭到嚴重破壞，在兩者接觸面易形成濃差、縫隙電池腐蝕，故在屋面陽角和需保護設備處豎接閃桿，壓頂鋼筋作為暗敷接閃帶，兩者進行連接，可減少明裝水平接閃帶帶來電化學不均勻的腐蝕，又符合防腐規范條文說明5.4.2條，“不能與主體結構的設計使用年限相同時，應設計成便于更換的構件”的要求。這種以豎向為主，暗敷為輔的組合，既能將明、暗裝兩者的優點結合起來，又能給接閃器后期的維護帶來方便（因為接閃桿后期的維護比明裝接閃帶簡單），是南方氯堿比較理想的防雷接閃器防腐方法。

4.3 接閃器選材

針對南方氯堿防雷材料的腐蝕原因及腐蝕規律，從材質本身著手解決減緩腐蝕速度，如采用更換材質。按照GB50057-2010規范的第5.1.1條、5.2.1條和5.4.1條，防雷裝置使用材料，在原來規定鍍鋅鋼的基礎上，增加了銅和不銹鋼的使用條件，對不銹鋼化學成分提出了要求，見表2。不銹鋼的牌號眾多，在實際工作中應選準牌號，把好材料質量關，提高材料耐環境變化能力。

表2 防雷規范使用的不銹鋼與常用不銹鋼材料化學成分對比（%）

4.3.1 防腐原理

不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于它的合金化學成分鉻（Cr）、鎳（Ni）和鉬（Mo）等，其中起主要作用的是Cr元素，Cr元素易于氧化，能在金屬材料表面快速形成致密的Cr2O3薄膜，使之與周圍環境介質隔離，能滿足一般大氣酸、堿、鹽環境中耐蝕性要求[2]。

4.3.2 牌號選擇

不銹鋼的牌號不同，其耐蝕性不同，需區別對待。從表1可以看出，不銹鋼（304）的腐蝕程度居中，主要是由空氣中Cl-引起金屬的晶界腐蝕，這是產生腐蝕的外因，而缺少Mo元素則是內因。Mo在不銹鋼中的作用，主要表現在能阻止晶界腐蝕的發生，促進耐鹽霧、酸霧腐蝕性能。從表2可知，316不銹鋼含有Mo元素，與接地體材料的化學成分相近，是明裝接閃器材料的首選。另外，明裝接閃器采用316不銹鋼材料，與建筑物內的鋼筋構成防雷裝置，兩者的電極電位差為0.2～0.4V,小于防雷規范條文說明5.4.5條“1V的電化學電池電壓”，腐蝕作用不大。

4.3.3 技術保障

達標的防雷材料有助于改變防雷裝置快速腐蝕的現狀，在防雷工程的設計審核、跟蹤檢測和竣工驗收階段，設計相關預防措施，把好材料質量關，使得化工雷電防護更加到位，具有現實和深遠意義。2014年6月，防雷材料、產品質量證明書，被列入當地防雷項目審批“路徑圖”之中，成為行政審批窗口需提供申報的材料之一，這將推動地方乃至全國防雷裝置防腐規范健康發展。

4.4 技術管理與時俱進

普及防腐專業知識，加強防腐蝕專業力量。在當今科學技術不斷革新的時代，氯堿生產系統正值設備更新和技術改造時期，強化新技術、新材料的開發應用。連接工段間金屬橋架、管道可改為非金屬材料，實現無物理連接，切斷聯結電路，使陽極區電子不能輸出，陰極區不能吸收電子，宏電池腐蝕不易形成。屋面金屬罐體、管道改用非金屬材料，減少電化學不均勻，弱化腐蝕作用。

5 結束語

總之，氯堿企業明裝接閃器，無論是設計還是施工和維護，技術人員都要熟悉掌握Cl-介質的腐蝕特性。長期以來，接閃器的設計內容僅局限于防雷規范的安全性分析和計算，未考慮Cl-環境下耐蝕性設計。隨著研究和工程實踐的不斷深入，勢必會帶來一些新的理念，合理的設計和科學管理，接閃器的使用將發揮應有的作用，壽命也會得到延長，防雷規范與防腐規范的結合更加完美統一。

[1] 宋鑫.Q235鋼在模擬環境下干濕交替大氣腐蝕行為特征[D].天津: 天津大學, 2007.

[2] 甘志強，陸土金，高濤, 等.南海海島自動氣象站防護應用技術探索[J].氣象科技，2016，44（6）:914.